雙饋風(fēng)機(jī)槳距角控制調(diào)頻特性研究

／ 青島大學(xué) 董鵬程 陳明帥／

雙饋風(fēng)機(jī)槳距角控制調(diào)頻特性研究

／ 青島大學(xué) 董鵬程 陳明帥／

目前，風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以實現(xiàn)有功、無功解耦調(diào)節(jié)，往往在高功率因數(shù)下運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動頻率跌落時不能向電網(wǎng)輸送有功幫助電網(wǎng)頻率恢復(fù)。本文根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性，提出設(shè)定槳距角初始值實現(xiàn)備用有功的方式實現(xiàn)調(diào)頻特性，仿真結(jié)果驗證了所提方案的有效性。

雙饋風(fēng)機(jī)；槳距角；調(diào)頻

0 引言

根據(jù)我國能源部門統(tǒng)計，我國總裝機(jī)容量快速增長，已接近1.5億kW。同時，由于一次能源緊缺與環(huán)境污染嚴(yán)重，國家大力提倡發(fā)展新能源發(fā)電。近日，國家發(fā)改委、海洋局發(fā)布了《海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提倡大力發(fā)展海上大容量風(fēng)電機(jī)組，而且大量火力發(fā)電機(jī)組慢慢退出運(yùn)行，風(fēng)電對電網(wǎng)的影響與日俱增。規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)極易受到擾動與發(fā)生故障，引起電網(wǎng)頻率波動。

鑒于上述原因，許多學(xué)者做出了大量研究工作。文獻(xiàn)[1]提出通過控制使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在次優(yōu)功率曲線，實現(xiàn)備用有功完成電網(wǎng)頻率跌落后的調(diào)整；文獻(xiàn)[3]提出添加儲能設(shè)備實現(xiàn)增發(fā)有功，實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。上述方案在一定程度上實現(xiàn)了頻率調(diào)整的目的，但是在經(jīng)濟(jì)成本和雙饋風(fēng)機(jī)保護(hù)方面仍具有局限性。因此本文提出設(shè)定槳距角初始值實現(xiàn)備用有功，等效常規(guī)發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻電廠。

1 槳距角控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般以最大功率追蹤的方式運(yùn)行，功率Popt為

式中，Kopt為風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)特性確定的常數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

有文獻(xiàn)提出使風(fēng)機(jī)放棄最大功率追蹤運(yùn)行模式，以次優(yōu)功率追蹤運(yùn)行模式來實現(xiàn)有功功率備用，次優(yōu)功率曲線如圖1所示，次優(yōu)功率曲線與最優(yōu)功率曲線關(guān)系如圖2所示。

然而，此種方法獲得有功功率備用是以風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超速減載來實現(xiàn)有功功率備用，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上限限值的控制，這種方法只適合于風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下的情況。為使得DFIG系統(tǒng)自身可以有有功功率備用容量，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率方程進(jìn)行以下分析。

根據(jù)空氣動力學(xué)，風(fēng)力機(jī)的輸入功率[2]

風(fēng)能利用系數(shù)[2]

所以，風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率[2]

式中，ρ為空氣密度；Sw為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；ν為進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的空氣流速（即未擾動風(fēng)速）；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由上述公式可見，風(fēng)力機(jī)輸出功率相關(guān)的可改變量是槳距角β。槳距角β與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系如圖3所示，在葉尖速比為定值時，β越大，風(fēng)能利用系數(shù)越小，因此風(fēng)機(jī)輸出功率越小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角為0°時風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率最大，因此，通過設(shè)定風(fēng)機(jī)葉片槳距角初始值，降低機(jī)組有功出力，使風(fēng)機(jī)留有一定的備用有功容量，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時起到有功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。設(shè)定初始值的槳距角頻率控制框圖如圖4所示。

當(dāng)擾動發(fā)生后，電網(wǎng)頻率跌落，圖4所示控制策略開始發(fā)生作用，槳距角開始減少，有功增發(fā)，如圖6和圖7所示。

3 結(jié)束語

通過仿真結(jié)果可知，通過設(shè)定初始槳距角控制可以實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功增發(fā)，從而幫助電網(wǎng)頻率恢復(fù)，起到常規(guī)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻電廠一次調(diào)頻的功能。但是這種調(diào)頻是一種有差調(diào)頻，如何在整個風(fēng)電場的角度根據(jù)運(yùn)行特點將風(fēng)電機(jī)組分類建立等值模型，利用能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)無差調(diào)頻是下一步要研究的重點。

[1]李軍軍，李圣清，匡紅梅.雙饋風(fēng)電系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)的小擾動穩(wěn)定性分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2012，16(8)：1-10.

[2]賀益康，胡家兵，Lie XU（徐烈）.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制[M].北京：中國電力出版社，2011：29-31.

[3]劉東霖，王倩.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬慣性控制研究[J].電測與儀表，2016，53(14)：46-50.

[4]朱曉榮，趙猛，王毅.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)合頻率控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(8)：20-24.